（车辆工程专业论文）汽车变速换档机构的虚拟测试系统开发.pdf

摘要( 中文) 摘要 汽车行业作为许多国家的支柱产业，它代表了一个国家的工业水平，也影响 一个国家的国民经济，因此提高汽车产品的竞争力尤为重要。为了控制汽车产品 质量，提高汽车的品质，势必对其总成及零部件提出更高更严格的要求。变速换 档机构作为汽车变速器总成中的一个重要零部件，其工作状况的好坏及可靠性将 直接影响到传动系统的性能和汽车在行驶过程中的操纵性能，关系到整车的质量。 因此需要一套精度高、可靠性好的测试系统来评价换档机构的换档性能和可靠性。 随着虚拟仪器技术的日益发展，采用低成本自动化技术，研制各类多功能智 能测试设备呈迅猛发展之势，并逐渐批量进入工业测试领域。特别是在机械、冶 金等行业，已大量融入各种类型的虚拟仪器，其卓越的性能、良好的数据在线处 理能力和实时数据通讯能力以及友好的人机交互平台，得到各行业研究人员的普 遍关注。 本文通过对国内外换档试验台的分析和研究，结合虚拟仪器技术开发了汽车 换档机构的虚拟测试系统。在测试过程中，利用气缸来驱动换档机械手，模拟人 手对变速器换档手柄的换档操作：通过所开发的测试系统实现对换档位移、换档 力、扭矩、转速等多项参数的实时检测。 该测试系统主要的特点就是整个测试过程在工控机和软件的控制下自动完 成，实现了测试过程的自动化和智能化；系统测控软件采用v i s u a lb a s i c 语言模 块化结构开发，充分利用其面向对象编程的特点，实现了系统良好的人机对话功 能。该系统主要功能包括：可采用手动和自动两种工作方式进行换档性能试验与 可靠性试验；能够实时采集各项试验数据并以曲线或数据形式输出；具有对数据 进行存档与打印功能；可以重新进行档位标定；具有自动报警和自动关闭试验系 统的功能，以保证系统运行安全可靠。 本文研究开发出的测试系统界面友好、易于操控、系统功能可扩展性好、测 试精度和稳定性较好。通过实际测试试验，证明该系统完全满足测试的要求。 关键词：汽车；变速器；换档机构；虚拟测试系统 摘要( 英文) a b s t r a c t a st h ep i l l a ri n d u s t r yi nm a n yc o u n t r i e s ，t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yn o to n l y r e p r e s e n t st h el e v e lo fac o u n t r y si n d u s t r i a l i z a t i o n ，b u ta l s oa f f e c t st h ec o u n t r y s n a t i o n a le c o n o m y t h u si n c r e a s i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so fa u t o m o t i v ep r o d u c t si s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i no r d e rt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fa u t o m o t i v ep r o d u c t sa n d i m p r o v ei t sq u a l i t y , i ti sb o u n dt op u th i g h e ra n dm o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t st oi t s a s s e m b l yp a r t s t r a n s m i s s i o ns h i f tm e c h a n i s m ，a sa ni m p o r t a n ta s s e m b l yp a r t sa n d c o m p o n e n t s ，i t sq u a l i t yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m i nam o v i n gc a ra n dt h eh a n d l i n gp e r f o r m a n c e ，a n dt h eq u a l i t yo fc a r s t h e r e f o r e , t o e v a l u a t et h et r a n s m i s s i o ns h i f tp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y , i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pa t e s ts y s t e mw i t hh i i g hp r e c i s i o na n dg o o dr e l i a b i l i t y w i t ht h eg r o w i n gd e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i ti sp o p u l a ru s i n g l o w c o s ta u t o m a t i o n t e c h n o l o g y t or e s e a r c ha n d d e v e l o p v a r i o u s t y p e s o f m u l t i f u n c t i o n a li n t e l l i g e n ts y s t e m si nt h ei n d u s t r i a lt e s t i n gf i e l d s e s p e c i a l l yi nt h e m a c h i n e r y , m e t a l l u r g i c a la n do t h e ri n d u s t r i e s ，i th a sb e e ni n t e g r a t e di n t oal a r g en u m b e r o fv a r i o u st y p e so fv i r t u a li n s t r u m e n t s i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，g o o do n - l i n ed a t a p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n dr e a l - t i m ed a t ac o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e s ，a s w e l la s f r i e n d l yi n t e r a c t i v ep l a t f o r m ，g e tm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h es h i f tt e s tp l a t f o r ma th o m ea n da b r o a d ， t h i sp a p e rd e v e l o p st h ev i r t u a lt e s t i n gs y s t e mo ft r a n s m i s s i o ns h i f tm e c h a n i s m i nt h e c o u r s eo ft e s t ，u s i n gt h ec y l i n d e rt oc o n t r o lt h es h i f tm a n i p u l a t o rm o v e m e n tt oa n a l o g t r a n s m i s s i o n sr e a lw o r k i n gc o n d i t i o n s e n s o r sa n dd e t e c t i o ni m p l e m e n t i n ga g e n c i e s c a na c h i e v et h ed e t e c t i o no fs h i f td i s p l a c e m e n t ，s h i f tf o r c e , t o r q u ea n do t h e r p a r a m e t e r ss u c ha ss p e e d t h em a i nf e a t u r e so ft h et e s ts y s t e mi st h a ti tc a nr e a l i z et h es h i f th a n d l em o v i n g a u t o m a t i c a l l yu n d e rt h ec o n t r o lo fc o m p u t e ra n ds o f t w a r e ，w h i c hr e a l i z et h ew h o l e i n t e l l i g e n t t e s t p r o c e s s s y s t e mm o n i t o r i n g s o f t w a r ei s d e v e l o p e db y m o d u l a r a r c h i t e c t u r el a n g u a g ev i s u a lb a s i c , w h i c hr e a l i z e st h ef u l l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c e t h e f u n c t i o n si n c l u d e ：t w ow a y st oa c h i e v ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yt e s t s ，m a n u a la n d a u t o m a t i c ；t oo u t p u tt h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ai nt h ef o r mo fc u r v e s ；t o r e a l i z et h ed a t aa r c h i v ea n dp r i n tf u n c t i o n s ；r e c a l i b r a t i o nc a nb ea c h i e v e dq u i c k l y ； w i t ha u t o m a t i ca l a r ms y s t e mf u n c t i o nt oe n s u r es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n 猜要( 英文) 珏l i nt h i sp a p e r , t h et e s ts y s t e md e v e l o p e dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：u s e r - f r i e n d l y a n de a s yt oc o n t r o l ；b e t t e re x p a n s i b i l i t yo ft h es y s t e mf u n c t i o n s ；h i g ha c c u r a c ya n dg o o d s t a b i l i t y t h r o u g hp r a c t i c a lt e s t s ，i tp r o v e st h a tt h es y s t e mc a nf u l l ys a t i s f yt h et e s t r e q u i r e m e n t s 。 k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；t r a n s m i s s i o n ；s h i f tm e c h a n i s m ；v i r t u a lt e s ts y s t e m 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 飞鼍苏 【 日期：6 口彦年年月? 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 岁彳磊师 日期卿年砰月； 日 日期，口彦年中月 ； 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究意义 汽车是一个由许多种零部件组成的复杂的机械电子系统。对于汽车产品开发所 需的许多技术资料，目前尚不能通过理论计算而只能通过试验获得，因此有人说 “汽车是试验出来的蠲。2 l 世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业已逐步 成为许多国家的支柱产业。为了控制汽车产品质量，提高汽车品质，势必对其总 成及零部件的试验系统提出更高、更严格的要求。 国外的汽车工业由于发展时间较长，且对试验检测工作十分重视，资金上投入 巨大，一般都有较为齐全的试验装备。褥加上严格管理和精良的制造设备，与国 内汽车企业相比，具毒明显的优势。加入w t o 以后，我国与国际之间的合作与竞 争日益多样化，为了适应嗣际化大市场，我国汽车生产企业必须加大试验检测力 度，才能大大缩短嗣国外围类厂家在试验手段上的差距，有利于我国汽车产品在 国内外的竞争能力。 在汽车的各类总成中，变速箱是汽车传动系中一个重要总成。换档机构是汽车 变速箱的重要部件，主要用于汽车行驶中平稳变速换档。性能优良的换档机构有 助于达到操纵轻便灵活，消除冲击噪声和降低汽车油耗的目的。同时，馥好的换 档机构可以防止变速箱齿轮的损坏，提高变速箱总成的使用寿命。能否研究出离 水平的产品，高水平的试验手段是非常重要的。因此，研制先进的换档测试系统， 对提高汽车试验技术有着重要意义。 随着现代汽车工业对零部件的性能要求提高，传统手摸、眼看、耳听的原始 手段己不能满足要求。现代的检测设备是集计算机、传感器、仪表于一体的综合 系统，实现了状态信号采集、特征提取、状态识别自动化，并能以显示、打印、 绘图等方式自动输出检测分析结果，使检测更精确、可靠、方便，效率更高。测 试变速箱换档机构的性能用手工操作是非常困难的。首先，用手工变速所旎加绘 变速杆的力度和速度难以达到致或规定的值，其次换档时间的起始时刻与终止 时刻很难测量，这就给技术入员在评价变速机构换档性能带来了很大的困难。特 别是要连续做上万次的可靠性试验，用手工操作根本无法完成。要准确分析和评 价换档机构的性能及可靠性，必须用微机控制测试系统来实现n 吲。 当翦，虚拟仪器技术遐成为豳蠹外测控行业的热点。虚拟仪器技术就是用户 自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。应用虚拟仪器技术，可以通过软件 将计算祝硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理 能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体 积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器的特点就在于 第一章绪论 2 一 虚拟仪器较传统仪器具有升级容易，功能扩展方便，使用寿命长，开发和维护费 用低，可以实现网络共享等的特点h 鄹。 本文所开发的汽车变速换档机构虚拟测试系统，是国家客车质量监督检验中 心为满足广大变速器生产企业的产品质量测试需求而研制的。该测试系统是通过 模拟汽车变速器实际工作状态，在试验室完成对换档机构和同步器的性能与寿命 测试。该试验台主要的特点就是能够自动控制操纵杆的选档和换档过程，整个测 试过程在工控机和软件的控制下自动完成并能实时显示测试数据与曲线等，实现 了测试过程的智能化和自动化。该试验台的研制进一步完善了对汽车变速器的测 试，为广大变速器生产企业提供了更好的产品检测平台。而且，基于我国汽车行 业整个测试领域在检测手段智能化、多样化等方面与国外相比处于相对落后的状 况，开发针对换挡机构性能与寿命测试的智能化测试系统，不仅具有较高的现实 意义，也具有极大的经济价值。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国外研究现状 现在国外针对变速器的测试技术已比较成熟，检测手段已向多样化、智能化 方向发展，已经可以对变速器的一些特性进行全面检测，如空载或有负荷情况下 的加速换档特性、减速换档特性，各个前进档、倒档的滑差测定，各种工况下的 油压测试等，实现了对汽车变速器各项性能的有效测试。现在主要检测设备有以 下几种：机械传动试验台、变速器换挡试验台、汽车传动系综合性能试验台、静 强度试验设备、振动强度疲劳试验设备等哺儿7 1 。 换档机构试验台主要由驱动电机、惯量盘、转速扭矩传感器、被试变速器、 传感器、换档执行机构、工控机等组成，主要是用于进行换档机构性能与寿命试 验。国外对变速换档测试系统的研制相对较早，日本的a u t om a x 公司，其机械手 换档机构采用液压驱动方式，它的柔性好、精度高、驱动能力强。美国宝克公司 的机械手换档机构则采用交流电机驱动式，系统简单、控制容易、精度高、无需 液压油源。德国r e n k 公司和s c h e n c k 公司，奥地利的a v l 公司在此方面做的工作 都是很出色的。1 9 8 9 年德国大众汽车公司开始研制一种将整个汽车传动系联接起 来进行寿命试验的试验台，称之为传动系万能试验台。该试验台可以全面测试汽 车传动系包括换档机构及同步器、传动轴、驱动桥等在内的传动件的性能与寿命。 1 9 9 1 年，大众公司开始研制模拟汽车行驶工况的传动系统综合试验台，这种试验 台能模拟汽车的各种行驶工况进行试验，并能同时进行变速器、离合器、传动轴、 后桥的寿命试验。与此同时，日本、法国、美国有关学者也在进行变速换档机构 测试系统的研究，并申请了相关专利陷儿鲫n 刖。 第一章绪论 3 1 2 2 国内研究现状 国外的相关测试设备最大的特点是，伴随着微电子技术、计算机技术和网络 技术的迅速发展及其在电子测量技术领域的应用，呈现出数字化、智能化和显示 图形化。因此开发出测试手段更为先进，交互性能更好的图形化测试系统已成为 国内学者们的研究热点。 目前国内针对变速换档机构的测试设备与国外相比还比较落后，测试手段还 不能完全满足现状的要求。主要表现在： 测试系统功能相对较弱，测试水平不高，而且主要以传统的“硬 仪器系 统为主； 测试手段落后，不能满足某些指标的检测； 测试效率低，不能满足实际生产的需要。 为了对变速器产品结构和零部件的性能和寿命进行测试与分析，为产品设计 与质量评价提供可靠的科学依据，国家颁布了相关的法规：i q c t 5 6 8 1 9 9 9 汽车 机械变速器台架试验方法；i i q c t 2 9 0 6 3 - 1 9 9 2 汽车机械式变速器总成技术条件 u ；i i i j b t 9 7 2 0 2 0 0 1 机械工程变速器性能试验方法n 羽。本文所开发的变速换档 机构的虚拟测试系统是为了满足现代变速器测试系统的需要，将传统的以“硬” 仪器为主的测试手段向以图形化软件测试平台为主的虚拟测试手段演化，从而进 一步提高测试仪器设备的智能化、模块化、数字化和网络化等功能。 部分国内厂家和科研机构己经开始了变速换档机构测试系统的研制进程，并 取得了一定成绩。但是，由于技术力量不足，所开发的试验台技术含量、自动化 程度较低，有些项目的测定只能用手动操作，准确率较低，而且测试的项目较少， 同时各种数据监测缺乏直观的图形界面显示。上海汽车股份有限公司2 0 0 4 年申请 了轿车变速器换档试验台控制系统专利，该系统主要的特点是将拉压力传感器与 换档气缸、试验变速器的选换档杆联接；位移传感器与选、换档手柄相联接；换 档气缸和选档气缸、试验变速器的换档手柄相联接，采用p l c 控制系统实现了测试 系统自动选档换档和测试数据记录及参数修改，具有易操作、易修改、易维护的 特点。中国科学院合肥智能机械研究所2 0 0 2 年发表过汽车变速器综合性能试验台 系统设计的研究论文，所研制的测试系统可以通过人机界面模块和用户交互，并 且能够利用所开发的虚拟仪表显示一些实时数据。但是，该试验台造价较贵，结 构较为复杂，需要专业人员才能维护。与前面的研究工作相比，本文研究最大的 特点就在于，采用虚拟技术和当前先进的信号处理技术来开发汽车变速换档机构 测试系统，提高了测量精度，实现测试过程的自动化。在测试过程不但实现了良 好的人机交互，还对换档力进行实时曲线显示和历史曲线显示，同时还提供历史 数据、报警数据的查询、曲线和报表的打印等功能。并且每次用户在使用该系统 第一章绪论 4 一 时，必须输入正确的用户名和密码才允许使用，这样就保证了数据的安全性和保 密性1 0 1 n 羽。 1 2 3 存在的主要问题 目前已有的这类试验台主要存在如下一些问题值得进一步研究俐： 利用机械手模拟人手的换档操作，如何将换档手柄的x 、y 、z 三维方向 控制简化到x 、y 二维控制，从而简化机械及控制系统结构。操纵杆的x 、y 、z 三维方向运动一般说是由x 、y 、z 三维方向控制来完成的，它需要三套控制系 统和三套机械结构，它们之间如何实现相互不干涉的运动，在机械精度、控制算 法上都要求特别严格。因此，设计的机械手能否真实模拟实际的换档操作是试验 台开发的一道难题。 档位和参数标定问题。在重新安装变速箱后，都要重新进行档位标定，档 位越多，标定的时间越长。如何进行快速档位标定，从而提高试验效率是一个值 得研究的问题。另外，由传感器、采集卡组成的测量装置都有时漂和温漂现象， 应定期对系统进行标定。如果采用手工标定，那么传感器越多人工参与也越多， 不仅增加了测试人员的工作量，也会带来更多的人为误差。自动标定是标定时计 算机自动将标定参数存入系统数据库中，不用人工参与。 如何控制换档机械手实现自动换档。因为，评价换档机构的可靠性通常需 要连续进行换档试验多达上万次，利用手动去做试验是不现实的，所以必须利用 计算机实现测试过程中自动换档。 具有自诊断功能，系统中的所有检测量及控制量如果出现异常，系统能否 快速自动诊断，排除后快速继续正常工作。 报警停车：噪音异常、油温异常( 变速器、油箱) 、换档力超限、电压等异 常时为了保护被测试件及试验系统，遇到上述情况，应该立即停车并报警。 虚拟示波器功能实现。测试曲线自动连续显示，在进行换档性能与寿命试 验中，实时显示选档力和换档力曲线、换档位移曲线以及转速变化曲线。 1 3 本论文主要研究内容和研究成果 1 3 1 本文的研究内容 本论文主要任务是，开发出基于v i s u a lb a s i c 平台的变速换档机构虚拟测试 系统。通过操作该测试系统，自动完成汽车变速器换档性能试验和可靠性试验。 系统具体功能如下：可检测力及扭矩、转速、位移、温度等参数，能够匀速施 加驱动力；测试数据可存储及显示打印输出；具备故障自诊断功能；试验台具有 连续运转能力，每次连续运转可达到1 8 0 0 小时；驱动及检测全程由微机控制。因 此，本论文的主要研究内容： 第一章绪论 测试系统总体方案研究设计； 机械手的控制系统的研究，气动伺服控制系统分析及p i d 控制方法在本系 统中应用的研究： 数据采集系统的研究与开发。信号采集部分数据采集卡和传感器的选择； 信号的预处理；硬、软件抗干扰技术等； 测试系统软件开发； 试验分析及数据处理。 1 3 2 本文的研究成果 通过对国内外变速换档机构检测状况的研究，结合虚拟仪器技术提出了变 速换档机构虚拟测试系统设计方案。 通过理论推导与分析，提出了试验台的换档机械手设计方案：采用气动驱 动方式完成x 方向与y 方向上的运动，利用球头万向节实现z 方向的随动，经过 以上运动过程完成换档操作。 提出了采用气动伺服控制策略并加以p i d 控制方法，实现了换档过程换档 手柄的准确定位和换档自动化。 采用面向对象的开发平台v i s u a lb a s i c 在w i n d o w sx p 环境下开发出了界 面友好、易于操作与功能扩展的换档机构虚拟测试系统。 1 4 本章小结 本章分析了在我国汽车工业不断发展壮大的形势下，开发集计算机、传感器、 仪表等技术于一体的汽车变速换档机构虚拟测试系统具有较高的现实意义和极大 的经济价值。通过对该类试验系统国外和国内研究现状的分析及存在的一些问题 的探讨，提出了本论文的主要研究内容。 第二章虚拟测试系统开发概述 第二章虚拟测试系统开发概述 6 一 目前，随着计算机技术与微电子技术的飞速发展，传统仪器逐渐向智能仪器、 虚拟仪器演化。虚拟仪器技术是把测试分析仪器的采集、分析、输出三大功能模 块全部放到计算机上来实现。虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破， 是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。 2 1 虚拟仪器概述n 3 1 司 2 1 1 仪器的发展历史 5 0 年代初，仪器仪表技术取得了突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以 问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个数量级，为实现测试自 动化打下了良好的基础。 6 0 年代中，测试技术又取得了重大进展，计算机的引入使仪器的功能发生了 质的变化，从对个别电量的测量转变成对整个系统特征参数的测量；从单纯的接 收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单个仪器进行测量转 变成用测量系统进行测量。 进人7 0 年代以来，计算机技术的进一步渗透，使现代电子仪器在传统的时域 与频域之外，又出现了数据域( d a t ad o m a i n ) 测试，被测系统的信息载体为二进制 数据流，仪器前面板则向键盘化方向发展；不同于传统的独立仪器( s t a n da l o n e i n s t r u m e n t ) 模式，而是充分利用个人计算机软、硬件资源的个人仪器( p e r s o n a l i n s t r u m e n t ) 得到了充分发展。 2 1 2 虚拟仪器的概念 自从1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n i ) 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ， 简称) 的概念以来，虚拟仪器作为一个新兴的研究领域，始终受到中外科研工 作者的关注。随着科技的不断进步，特别是计算机科学的飞速发展和计算机产品 的广泛普及，虚拟仪器也有了长足的发展。虚拟仪器由专为控制应用设计的直观 的软件和针对不同频率与精度范围的通用测量硬件组成，因此n i 提出了“软件就 是仪器的概念。v i 通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以 通过友好的图形界面( 虚拟仪器前面板) 来操作这台计算机，就像在操作自己定 义、自己设计的一台单个传统仪器一样。v i 以透明的方式把计算机资源( 如微处 理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字y o 、定时器、信号调 理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件来实现对数据的分析、处理及显 示。 所有的测量仪器的功能可由数据采集、数据分析、结果输出显示三大部分组 第二章虚拟测试系统开发概述 7 一 成。在这三大功能中，数据分析和结果显示完全可由基于计算机的软件完成，只 要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机硬软件组成的测量仪器。由 此可以看到，虚拟仪器与传统仪器的基本区别在于传统仪器的这些功能都是以硬 件或者固化的软件的形式存在的，而虚拟仪器的功能则是用软件完成的。因此软 件是虚拟仪器的核心。 在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试或维修任务，通常需要许 多仪器，如信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等等。由众多的仪器构成的测 试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。而使用p c 资料( 处 理器、存储器、显示器等) 、仪器硬件( 传感器、信号调理器、转换卡等) 和数据 采集、过程通讯、信号处理及图形用户界面的应用软件有效地结合起来，便可构 成一种全新的基于p c 的虚拟动态分析仪器，这种仪器从概念上改变了传统仪器的 技术模式，它可以在一台计算机上完成多种功能，多种仪器共享p c 资源。当用户 的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现 有系统以满足新的测试要求。当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地 构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源，从而大大节省了设备量和成 本，方便操作。 总的来说，虚拟仪器就是基于计算机的全数字化测量分析仪器，是现代计算 系统、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术和仪器系统技术相结合的产物，是 当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器技术就是利用高性能 的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它 推动着传统仪器朝着数字化( 智能化) 、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。v i 技术研究现已成为电子测量和计算机测试控制的前沿课题【2 l 】。 2 1 3 虚拟仪器的特点4 叼”1 丰富和增强了传统仪器的功能 虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理， 充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵 活、简单。 便于功能扩展、升级 传统的仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，而虚拟仪器具有开发的功能 模块，可以比较容易构建多种测试仪器，也便于同一台仪器的升级换代。 突出“软件就是仪器 的概念 传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减少了许多随时间可能 漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使仪器的测量 精度、测量速度和可重复性都大大提高。 第二章虚拟测试系统开发概述 8 一 仪器功能由用户自己定义 虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修 改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、网络及其 他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 开放的工业标准 虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、 使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展， 管理规范，生产、维护和开发费用降低。 仪器开发和维护费用低 虚拟仪器将传统仪器用硬件实现的功能利用软件来实现，大大节约了仪器开 发的周期和成本。而且，虚拟仪器较传统仪器也有维护方便的特点。 2 1 4 虚拟仪器的广泛应用 虚拟仪器技术的优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易， 转换灵活，因此应用领域十分广阔。目前，国内外有许多部门和公司都在积极地 开展这些方面的研究和应用工作。比如，国内外许多大学都在尝试将虚拟仪器应 用到实验教学和计算机辅助教学中；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机 检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检验。虚拟仪器已在超大规模集成电路 测试、模拟电路数字电路测试、现代电器产品测试、电子元件电力电子器件测试 以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工 作中得到应用，并且其应用领域还将不断拓宽。 2 2 基于p c 总线虚拟仪器须解决的问题 在计算机的发展史上，没有一种计算机的普及和发展超过p c 机，但是一台p c 机并不就是虚拟仪器，p c 机具有数据传输速度慢的缺点，但p c 机拥有强大的硬件 基础、广泛的软件支持、众多熟练的用户以及低廉的价格等优势，使得基于p c 总 线虚拟仪器必将成为虚拟仪器的一个重要发展方向。 基于p c 总线虚拟仪器的基本模块为软件系统、总线以及功能化硬件模块。其 中软件系统和总线在很大程度上决定了虚拟仪器的性能。开发基于p c 总线虚拟仪 器需要解决包括硬件和软件两方面的问题。 2 2 1 硬件问题 如前所述，p c 总线上数据传输速率较慢。提高p c 总线数据传输效率是基 于p c 总线虚拟仪器的关键技术。虽然p c 总线从最初的8 位发展到1 6 位、3 2 位， 甚至6 4 位，数据传输速率也得到了快速增长，但p c 总线毕竟是计算机总线，它 主要是为计算机服务的。存储器刷新、磁盘读写、c p u 运行等，都需要占用总线时 第二章虚拟测试系统开发概述 9 一 间，依靠现在的p c 总线来传输虚拟仪器的大量数据，必然影响到虚拟仪器的实时 性。因此在只能利用现有p c 总线条件下，可以采取其他技术措施减轻p c 总线的 负担。例如通过采用高速d s p 和高速局部总线系统来提高系统的实时性和减轻p c 总线数据传输压力。这是因为p c 机的作用是充当管理者的角色，采集和处理过程 中的大量数据将在局部总线中传输，而占用p c 总线传输的仅仅是发出的各种命令 和经过处理的结果数据。 如何增强虚拟仪器硬件功能。将大规模集成专用电路a s i c 技术和可编程逻 辑器件技术应用于基于p c 总线虚拟仪器硬件模块中，可以有效的增强虚拟仪器硬 件功能。大规模a s i c 技术使得众多的硬件布线集中于芯片内部，避免了较长的外 部走线，在功能硬件板上容易形成高速局部总线，可以得到较宽的总线带宽。另 外，基于p c 总线虚拟仪器系统，一般采用插卡的形式，对可供布线的印制板在面 积和形状上的要求十分苛刻，p c 机的电源系统能力也有限，要求使用高度集成化 和省电的器件，大规模a s i c 技术和可编程逻辑器件技术在这个方面可满足要求。 电磁兼容性问题。在基于p c 总线虚拟仪器中，电磁干扰的问题可以通过硬 件和软件相结合的办法得到缓解。面对众多的p c 计算机，电磁兼容性不可能完全 一致，很难设计同样的硬件适应各种电磁干扰环境，因此获得的信号必然存在各 种各样的干扰。采用硬件电路抗干扰是最为常见的方法之一。现在，越来越多的 是利用软件技术配合硬件电路实现有效的抗干扰，如数字滤波技术。 2 。2 2 软件问题 p c 机和c p u 的数据处理能力有限。在大型测试仪器中，需要进行高速、大 量的数据处理，这给p c 机的带来过多额外的运算负荷，必会降低计算机的性能。 如今d s p 技术的发展十分迅速，己经可以以非常快的速度使各种较复杂的算法运 行于高速d s p 芯片中，既可保证系统的实时性，又有弥补硬件抗干扰性的不足， 实时地获得清晰的信号。 基于p c 总线虚拟仪器的功能主要是由软件来实现的，虽然p c 机拥有庞大 的软件支持，但专门为基于p c 总线虚拟仪器设计的软件系统价格十分昂贵。为此， 和g p i b 、v x i 等虚拟仪器一样，p c 虚拟仪器系统也需要功能齐全的软件系统和大 量的仪器成品程序库。此外，如何使用户方便地通过图形编程系统控制功能化硬 件模块，如何灵活地加载、运行d s p 程序，在一定程度上实现硬件的柔性化，最 大限度地通过同样的硬件模块完成多种虚拟仪器功能，也是研制基于p c 总线虚拟 仪器软件中重点考虑的问题。 2 3 虚拟测试系统开发的基本原则 对于不同的应用对象，系统开发的具体要求是不同的。但是，由于虚拟仪器系 第二章虚拟测试系统开发概述 1 0 统都是由硬件和软件两部分组成的，因此系统开发的一些基本原则是大体相同的。 2 3 1 硬件开发的基本原则 经济合理 在系统硬件环节中，要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以 得到高的性能价格比，这是硬件开发中优先考虑的一个主要因素，也是一个产品 竞争市场的主要因素之一。 安全可靠 选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定 的工作环境下系统性能稳定、工作可靠。要有适当超量程和过载保护，保证输入、 输出通道正常工作。 有足够的抗干扰能力 有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。 例如强电与弱电之间隔离措施、对电磁干扰的屏蔽、正确接地、高输入阻抗下防 止漏电等。 2 3 2 软件开发的基本原则 结构合理 程序应该采用模块化设计。这不仅有利于实现程序的扩展、升级，也有利于程 序的修改和维护。在程序编写时，要尽量着眼于子程序，使程序层次分明，易于 阅读和理解，同时还应简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常 需要修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修 改。 操作方便 操作性能好是指使用方便。这点对虚拟仪器系统来说是很重要的。在开发程序 时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。因此，在程序开发中，应该 采用各种图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。 具有一定的保护措施，使系统安全可靠 要能够满足使用要求 2 3 3 测试系统的要求 随着测试技术的不断发展和提高，对换档机构及同步器性能与可靠性试验都有 了较高的要求，因此应当开发出测试方法较先进、可靠性好的测试系统来满足行 业的需要。 采样要求 变速器运行时其输入轴和输出轴转速随着档位的变换也不断变化，因此测试 系统的数据采集要求也应随之提高。根据奈奎斯特采样定理，为了不至于产生波 第二章虚拟测试系统开发概述 形失真，采样频率应该至少是信号最高频率的两倍。但是，要使所采集到的数据 能够更真实准确，应将采样频率在合理范围内尽可能提高一些。 精度要求 测试仪器精度的高低，直接标志着仪器质量的高低。试验中不但要求换档机构 能够实现自动的选档、换档操作，而且要能够实时准确的显示每次换档力和位移 的变化情况，以及变速器转速的变化，所以不但要求测试精度高，而且还要稳定 性和可靠性都好。要满足这个要求，不但与测试的硬件有关，所选取的软件方法 同样很重要。 界面友好，操作简便 所开发的测试系统界面更友好，既能够让一般的操作人员很快熟悉操作过程， 又能实现自动化测试。 数据管理 以数据和曲线结合的方式显示测试结果，并且对结果数据进行规范的管理和 保存，以便以后的数据检索、回放和调用。 2 4vis u aib a sic 开发平台h 蝴3 2 4 1v b 概述 构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现 不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，提高计算机软件编程的效率意义重大。 虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和 i 0 接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层具有 鲜明的“即调即用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部分的 开发工作。 目前比较流行的软件开发技术是面向对象的编程技术和图形编程技术，两者在 虚拟仪器开发中都有应用。使用面向对象技术能够更加灵活的根据项目的实际情 况开发出适合的软件。目前较为流行的可视化编程语言环境v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c ，以及r a d ( 快速开发工具) ，如c + + b u i l d e r 的推出，向简化计算机编程迈 出了可喜的一步。 图形编程环境是软件工作中最流行的发展趋势，为广大使用计算机的普通用户 开发虚拟仪器软件提供了便利。这方面国外主要有h p 公司的v e e 和n i 公司的 l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等软件。国内也有人做“可视化虚拟仪器开发平台 ， 并也已取得了一定的成绩。 v i s u a lb a s i c 简称v b ，是m i c r o s o f t 公司推出的一个非常成熟的w i n d o w s 环 境下的应用程序开发工具，它性能优良，全面支持面向对象编程，组件丰富，控 第二章虚拟测试系统开发概述 1 2 件使用起来比较方面，能生成高效的应用程序代码。它内置了许多用于开发数据 库应用程序的专业化支持，能访问多种类型数据库。其次，它对w i n d o w s 系统能 提供比较好的支持，能方便地调用w i n 3 2 a p i 函数和d l l ，给应用程序对设备的控 制带来便利。再次它的数据报表( d a t ar e p o r t ) 是一个比较方便的工具，在实际试 验中很是有用。所以，在本系统开发中，采用v b 作为系统软件的开发工具。 2 3 2v b 的主要功能特点 具有面向对象的可视化设计工具 在v b 中，应用面向对象的程序设计方法，把程序和数据封装起来视为一个对 象，每个对象都是可视的。程序员在设计时只需用现有工具根据界面设计的要求， 直接在屏幕上“画 出窗口、菜单、按钮、滚动条等不同类型的对象，并为每个 对象设计属性。程序员的编程工作仅限于编写相关对象要完成的功能的程序，因 而程序设计的效率可大大提高。 事件驱动的编程机制 事件驱动是非常适合图形用户界面的编程方式。传统的程序设计是一种面向过 程的方式，程序总是按事先设计的流程运行。但在图形用户界面的应用程序中， 是由用户的动作即事件掌握着程序运行的流向，每个事件都能驱动一段程序的运 行。程序员只需编写响应用户动作的代码，而各个动作之间不一定有联系。这样 的应用程序代码一般较短，所以程序既易于编写又易于维护。 提供了易学易用的应用程序集成开发环境 在v b 集成开发环境中，用户设计界面、编写代码、调试程序，直至把应用程 序编译成可执行文件在w i n d o w s 中运行，使用户在友好的开发环境中工作。 结构化的程序设计语言 v b 具有丰富的数据类型和结构化的程序结构，而且简单易学。此外，作为一 种程序设计语言，v b 还有许多独到之处；强大的数值和字符串处理功能；丰富的 图形指令，可方便地绘制各种图形；提供静态和动态数组，有利于简化内存管理； 过程可递归调用，使程序更为简练；支持随机文件访问和顺序